基于STM32嵌入式系統的智能控制網絡終端設計
北京工業大學電子信息與控制工程學院 王鐵流，秦璐璐，李宗方，高嵩
摘要： 智能網絡終端是實現智能化管理的嵌入式終端設備。通常具有安全門禁系統和自動化控制的基本功能。本文重點介紹基于STM32的智能嵌入式終端的網絡控制功能的設計和實現。
Abstract：
Key words :
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智能網絡終端是實現智能化管理的嵌入式終端設備。通常具有安全門禁系統和自動化控制的基本功能。本文重點介紹基于STM32的智能嵌入式終端的網絡控制功能的設計和實現。
1智能網絡通信實現方案
將嵌入式系統與Internet連接起來實現遠距離信息獲取和控制功能的本質是嵌入式系統本身能夠實現TCP／IP網絡通信協議。該協議的解決方案總體上可分為兩大類。第一類是直接在嵌入式設備上實現TCP／IP，使之直接連上Internet。這實質上是由MCU及內部固化TCP／IP協議的芯片組成應用系統的核心，MCU可以直接撥號上網，這種方法的硬件電路相對簡單，也不需要中間環節的支持。但是由于使用了TCP／IP協議芯片，因此需要大容量的程序存儲器，而且要求MCU有較高的運行速度。同時，應用程序設計師還必須熟悉TCP／IP協議，且軟件設計復雜，工作量大。目前，此方案的典型代表有SX-stack、Sciko公司的S7600A芯片；第二類是使嵌入式設備經過通信轉換后，再通過公用的TCP／IP轉接口(網關Gateway)與Intemet相連。目前有以下幾種方式：
(1)通過使用獨立于微控制器MCU的專用的網絡接口芯片來完成單片機與網關間的協議轉換，并以此作為鏈接到Internet的橋梁。例如韓國WIZnet公司的W5100芯片；
(2)用單片機控制以太網網卡進行數據傳輸，此時必須加載TCP／IP協議到單片機中；
(3)用代理協議來完成與網關間的協議轉換。
2硬件平臺的設計
2.1 總體設計
本系統的硬件可分為采集模塊、處理模塊、鍵盤和顯示模塊、傳輸模塊、控制模塊和供電模塊等。其中采集模塊負責采集信息；處理模塊負責控制整個系統的工作，處理和存儲采集到的信息，控制模塊則可以進行相應的控制；鍵盤和顯示模塊負責顯示相關信息以提示現場人員操作；網絡傳輸模塊負責信息與數據服務器進行信息交互；供電模塊負責為整個系統供電。圖2所示是系統的結構框圖。通過這種結構可以自主開發出一套高性價比、低成本、低功耗、開發周期短、運行速度快、可靠性高、功能齊全、擴展性強的網絡控制終端。
2.2 硬件實現
本系統的處理器模塊選用ST公司剛剛推出不久的、基于ARM CortexTM-M3內核的新一代嵌入式STM32芯片。這是一款專為嵌入式應用而開發的內核。它帶有把中斷之間延遲降到6個CPU周期的嵌套向量中斷控制器，允許在每一個寫操作中修改單個數據位的獨立位操作，可進行分支指令預測、單周期乘法、硬件除法且有高效的Thumb 2指令集。這些改良技術使Cortex-M3內核具有優異的代碼密度、實時性和低功耗性能。所有這些新功能都同時具有目前最優的功耗水平，非常適合應用于長時間工作的終端控制系統。
本系統由+12 V電源輸入，同時經過LM2575和78L09穩壓后分別得到5 V和9 V電壓，5 V再經過SPX1117M3-3.3電壓穩壓轉換后得到3.3 V，這樣3.3 V、5 V和9V電壓即能夠很好地滿足內核、外設和外部電路的供電。系統時鐘源可采用外部晶振，內部PLL電路可以調整系統時鐘，使系統運行速度更快。為了提供性能優越的電源監控性能，這里選取了專門的MAX811系統監視復位芯片，該芯片可以通過手動控制系統的復位，同時還可以實時監控系統電源，一旦系統電源低于系統復位閥值，電路中的MAX811將產生一個140ms的復位脈沖信號來對系統進行復位。
系統網絡模塊選用的W5100芯片是一款多功能的單片網絡接口芯片。它內部集成有10／100Mbps以太網控制器，可支持自動應答(全雙工／半雙工模式)，主要用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統。使用W5100可以實現沒有操作系統的Internet連接。W5100與IEEE802.310BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。此外，W5100內部集成有全硬件的、經過多年市場驗證的TCP／IP協議棧、以太網介質傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。其硬件TCP／IP協議可支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP、PPPoE和IGMP。同時可支持4個獨立的端口(Socket)通信，其內部16 K字節的發送，接收緩沖區可快速進行數據交換，其最大通信速率可達25 Mbps。利用W5100提供的多種總線(并行總線和SPI總線)接口方式可以很方便地與各種MCU連接。可以說，W5100器件的推出，大大簡化了硬件電路設計，并可使微控制器系統在沒有操作系統的支持下實現單芯片接人Internet的理想。一般情況下，只需設置寄存器和存儲器，就可以通過W5100芯片進行Internet奎接。
在設計中，STM32F103與W5100可通過SPI接口進行連接。STM32F103作為SPI主設備，W5100作為SPI從設備，并由STM32F103為W5100提供通信時鐘，二者的接口連接圖如圖3所示。
但是，STM32F103在與W5100以SPI方式連接時，應注意以下幾點：
(1)W5100的SEN引腳必須通過一個10 kΩ的電阻接到高電平，以選W5100的SPI接口方式；
(2)W5100的D0～D7、A0～A14及CS、WR、RD可以懸空，只使用SCLK、SCS、MOSI和MISO四根信號線；
(3)W5100的INT引腳是中斷輸出，MCU需要根據該信號來判斷W5100的中斷狀態；
(4)LINKLED是W5100輸出的以太網物理層信號，MCU需要根據該信號判斷以太網的聯接是否正常。該信號一般需要上拉輸入到MCU；
(5)W5100的SPDLED、FDXLED、COLLED可以根據選擇是否需要輸入到MCU。
另外，系統中的存儲器模塊可以選用ST公司的64 MB的串行代碼存儲閃存M25P64。該器件的數據傳輸時鐘頻率為50 MHz，數據讀取吞吐量為50 MB／s，其簡單的SPI串行外設接口可簡化系統的設計。本硬件平臺使用兩片M25P64級聯，可存儲128 MB的信息，圖4所示是其存儲電路，它完全可以滿足平臺信息采集存儲的需求。為方便人員察看，系統中的LCD屏可選用(114.0 mm×64.0 mm)。
3 W5100的驅動程序設計
W5100的驅動程序主要完成初始化和端口的數據通信等功能。
通過SPI接口來配置W5100的寄存器一般具有固定的命令格式。根據SPI協議，SPI設備之間只有兩條數據線。因此需要定義操作碼(OP_Code)。W5100使用兩種操作碼：讀操作碼和寫操作碼。除了這兩種代碼，它將忽略和不響應其它的操作碼。在SPI模式下，W5100只對“完整的32位數據流”進行操作。這個32位的數據流包括1個字節的操作碼、2個字節的地址碼和1個字節的數據。其操作碼、地址和數據字節的傳輸都是高位(MSB)在前、低位(LSB)在后。也就是說，SPI數據的第一位是操作碼域的MSB，最后一位是數據域的LSB。W5100的SPI數據格式如表1所列。
初始化W5100主要是設置W5100的公共寄存器，包括MR、IMR、RTR、RCR、GAR、SUBR、SHAR、SIPR、RMSR和TMSR。一般在使用W5100之前，都要對W5100進行初始化。
3.1數據通信的建立
TCP是面向連接的通信方式，它首先必須建立連接．然后才能利用IP地址和端口號進行數據通信。TCP有兩種建立連接的方式，一是通過服務器模式(被動打開)等待連接請求；二是通過客戶模式(主動打開)發送連接請求給服務器。本例采用TCP客戶模式。在建立TCP連接之前，一般都需要初始化端口，包括設置端口號、設置W5100為TCP模式和寫入OPEN命令。端口初始化主要配置端口0的相關寄存器，包括：S0_PORT、S0_MR和S0_CR。
圖5是W5100在TCP客戶模式的處理流程。
3.2中斷處理
在處理W5100的中斷時，首先應訪問W5100的中斷寄存器(IR)，可用MCU通過訪問IR獲得產生中斷的來源。任何中斷源都可以被中斷寄存器(IMR)的相應位所屏蔽，因此，若要使用某個中斷源，先要置位該中斷源在IMR中的相應位，這樣，當IR中對應位置位時，才會產生中斷。此后當中斷產生時，即進入中斷處理程序。對于每個中斷事件，處理方式可由用戶自己定義。
假如使用的是端口0中斷。可在W5100的初始化程序中先將IMR中的IM_IR 0(端口0中斷屏蔽位)置位。這樣，當端口0中斷發生時(IM_IR0=I，S0_INT=1)，系統將開始讀端口0中斷寄存器(S0_IR)，在W5100的端口寄存器中，主要設置有建立連接(CON)、終止連接(DIS
CON)、數據發送完成(SEND_OK)、接收數據(RECV)和超時(TIMEOUT)等中斷事件。
3.3 數據接收
當端口產生接收中斷時，可調用接收函數S_rx_process(SOCKET s)將端口接收到的數據緩存到Rx_buffer數組中，并返回接收的數據字節數。當讀完所有的數據后，可將接收存儲器讀指針寄存器(S0_RX_RD)的值加上讀取的數據長度，然后再寫入S0_RX_RD，最后向端口0的命令寄存器(S0_CR)寫入RECV命令，以等待下次接收數據。但要注意在計算實際物理偏移量rx_offset時，S_RX_SIZE必須保證和在初始化代碼中定義的接收緩存區的大小一致。
3.4 數據發送
通過Socket發送數據時，首先把要發送的數據緩存在Tx_buffer中。此外，在發送數據時，還需先檢查發送緩存區的剩余空間的大小，然后控制發送數據的字節數。端口發送緩存區的大小由發送存儲器空間寄存器(TMSR)確定。在數據發送處理過程中，剩余空間的大小將因寫入數據而減少，發送完成后又自動增加。把Tx_buffer的數據完全寫入端口的發送數據緩存區后，可將端口傳輸寫指針寄存器(Sn_TX_WR)中的值加上寫入的數據長度，再寫入Sn_Tx_WR，以指示發送數據的長度，最后在命令寄存器(Sn_CR)中寫入SEND命令，以啟動發送。
4結束語
本文對控制終端設計提出了一些新穎的設計思路，利用該思路可實現現場和網絡的混合控制。該系統創新處主要包括如下幾點：
(1)具有USB＼UART等輸入輸出端口，可用于現場測控；
(2)可通過以太網接口實現網絡傳輸、遠程網絡測控和信息資源共享等功能；
(3)可通過大容量的存儲器來進行大容量的數據采集，并將其存儲在片上處理；
(4)具有LCD顯示單元，能夠實現數據和狀態信息的現場顯示，使用戶現場操作更加簡單。
(王鐵流，秦璐璐，李宗方，高嵩 北京工業大學電子信息與控制工程學院)
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